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Copyright & 1998 - 2017 Tencent. All Rights Reserved激光冲击表面微造型的理论和实验研究--《江苏大学》2016年硕士论文
激光冲击表面微造型的理论和实验研究
【摘要】：表面微造型能提高摩擦性能、生物医学性能以及光学性能;同时,表面微造型也能控制表面润湿性以及增强粘结接头的强度等。从大尺度的机械组件到微尺度的MEMS都有可能需要进行表面微造型。表面微造型方法主要有:珩磨技术、LIGA技术和准LIGA技术、微细电解加工、反应离子刻蚀、超声波加工、激光表面微造型。其中,以激光为能量源的表面加工技术,由于自动化程度高、可控性好、效率高等优点更是备受关注。另外,激光器件和激光加工理论的发展,促进了激光表面微造型技术的发展。因此,催生了多种以激光为能量源的表面微造型技术。主要有基于烧蚀的激光表面微织构、基于熔化的激光毛化和激光冲击表面微造型。本文在探究激光冲击强化后金属材料表面质量的基础上,提出用激光诱导冲击波实现表面微造型的方法,并针对该方法进行了较系统的理论和实验研究。主要研究内容和结论如下:(1)以纯铜块体为靶材,实施激光冲击强化实验,商用铝箔胶带作为吸收层,水作为约束层;用三维轮廓仪,光学显微镜或者扫描电镜表征铜块的表面形貌。发现冲击后靶材表面出现大量微米级微缺陷,包括凸起微缺陷和火山口状凸起微缺陷;理论计算了激光冲击过程中金属表面的温升,分析了冲击后靶材表面微缺陷的产生机理。结论如下:当铝箔作为吸收层时,铝箔和靶材之间的粘结材料中存在气泡。激光冲击所致的绝热压缩,使气泡中空气温度急速升高,进而使得在气泡位置的金属材料熔化并且形成微熔池;同时,气泡膨胀所产生的二次冲击波作用在微熔池上,进而在金属表面形成火山口状的微缺陷。如果冲击和高速形变产生的温升不足以使金属熔化,则在不平衡冲击载荷作用下,在金属表面形成中间无凹陷的凸起微缺陷。在激光冲击强化过程中,这种冲击所致的表面微缺陷会降低工件表面质量。但是,如深入研究上述微凸起形成过程,掌握其形成规律,实现形成过程和形成效果可控,则可实现在金属零件表面主动制造微凸起形貌。(2)为验证上述设想的可行性,在纯铝箔(不自带粘结层)与工件表面之间,主动设计,并成功制造了含有空穴的粘结层称之为空穴映射层。本文中,粘结层材料为数十微米厚的黑漆,用激光打标机在黑漆上仔细刻蚀出凹腔或凹槽,以水为约束层实施激光冲击。在金属表面成功制造出预期的微凸起阵列,微凸起的轮廓形状和尺度与粘结层材料中主动设计的空穴形状和尺度一致。根据冲击波在双层介质中的传播理论,借助ABAQUS软件进行了数值研究。结果表明:当宽幅入射冲击波通过空穴映射层时,被空间调制为幅值不均匀分布的冲击波。在不均匀的冲击波加载下,表面材料从高压区流向低压区。最后,在金属表面形成微凸起。(3)初步研究了冲击加工后金属表面的力学性能,以及激光能量、空穴横向尺寸以及空穴图案对微凸起结构的影响。用显微硬度计表征了冲击区域的硬度,结果表明:整个冲击区域的硬度都有显著提高;用三维轮廓仪表征了微凸起结构,结果表明:当激光能量低于某一值时,激光能量越大,凸起高度越高。由于密闭空穴内压力的增加,凸起高度不会无限制增大。而且,太大的激光能量会导致凸起顶部软化,降低表面力学性能。空穴尺寸是影响凸起高度的另一个因素,稍大的空穴有利于凸起高度的增加。
【关键词】：
【学位授予单位】：江苏大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2016【分类号】：TG665【目录】：
摘要5-7ABSTRACT7-11第一章 绪论11-22 1.1 表面微造型技术的研究意义11-16 1.2 激光冲击诱导表面微造型的研究意义16 1.3 激光表面微造型技术的研究现状16-21
1.3.1 激光微织构16-18
1.3.2 激光毛化18-19
1.3.3 激光冲击微织构19-21 1.4 本课题研究内容21-22第二章 激光冲击加工的理论基础22-26 2.1 激光冲击加工原理22 2.2 激光诱导冲击波的峰值压力估算22-23 2.3 冲击作用下材料的响应特性23-25
2.3.1 塑性流动响应23-24
2.3.2 温升响应24-25 2.4 本章小结25-26第三章 激光冲击强化后表面质量的实验研究26-40 3.1 激光冲击强化实验26-29
3.1.1 实验设备26-28
3.1.2 实验材料28-29 3.2 实验过程29-30 3.3 激光冲击实验结果和分析30-38
3.3.1 铝箔胶带为吸收层时表面形貌30-32
3.3.2 铝箔胶带的表面形貌32
3.3.3 粘结材料的微观检测32-34
3.3.4 激光冲击过程中的温升34-36
3.3.5 激光冲击之后金属表面的金相组织36-38 3.4 本章小结38-40第四章 激光冲击诱导表面微结构可控性实验研究40-56 4.1 实验设计40 4.2 实验设备和实验材料40-42
4.2.1 实验设备40-42
4.2.2 实验材料42 4.3 实验过程42-43 4.4 实验结果和分析43-50
4.4.1 激光冲击后表面形貌43-44
4.4.2 空穴映射层调制高幅激光诱导冲击波44-46
4.4.3 不均匀冲击波加载过程的数值研究46-50 4.5 表面力学性能50-51 4.6 初步工艺研究51-55
4.6.1 空穴横向尺寸和激光能量对凸起的影响51-53
4.6.2 空穴图案对凸起的影响53-55 4.7 本章小结55-56第五章 总结与展望56-58 5.1 总结56-57 5.2 展望57-58参考文献58-63致谢63-64攻读硕士学位期间发表的论文64
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激光微投 PK LED高亮 胜负变得扑朔迷离
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2015年是激光投影的元年。当这一年激光光源投影机的产品数量以10倍的速度暴增的时候，似乎已经预示着激光在投影未来光源之战中已经占据胜算。但是，随着2016年初，LED光源的逆袭，这一场战役的胜负又变得扑朔迷离。
【高工LED综合报道】
　　以上三个方面是LED能反攻光源的基本面。但是，哥也知道，仅是这些原因，还不足以使得厂商们在激光大行其道的时候，对LED光源依然保有信心。LED光源2016年初，在明基、奥图码、日立等品牌产品线上逆袭，着实需要新的理由：福说扒道：光源战争第二波&&激光的，LED的高亮 其实，LED光源虽然目前不及激光势头猛烈，却也不是毫无优势。因为激光光源实际分为两种&&三原色纯激光光源和蓝色激光荧光色轮光源。对于后者，哥不认为其是一个&纯激光特征&的光源系统。实际上，在色彩等效果上，激光荧光色轮光源更应该被认为是&荧光光源&。
　　相比较而言，LED光源虽然也有白色光源可以选择，但是更多的时候产品设计更多使用RGB三原色光源。三原色LED光源和三原色激光光源一样，是一种纯粹的半导体、高饱和度光源。。
　　更为重要的是，新光源之争不仅仅是效果对比，还必须考虑到成本因素。单纯看效果RGB 激光无疑是最好的，但是也是成本最高的光源方案。目前，虽然激光投影机已经琳琅满目，三原色的RGB激光产品却只见之于高端数字影院放映机上。因为其成本实在是普通应用难以承受之重。所以，对大多数应用场景而言，激光投影就是指&蓝光激光荧光色轮&技术的产品。
　　那么对于大多数应用场景，尤其是微投、家庭影院和商教应用领域，就有了一个新问题激光荧光和三原色LED选择谁?奥图码和明基最新的旗舰家用4K投影机给出的思路是三原色LED光源。道理非常简单，虽然亮度高一些，如流明的三原色led光源价格不菲，但是其效果也比较激光荧光技术更为出色，更配得上4K的高端身份。
　　同时，从动态技术进步看，激光和LED光源还都在发展的快车道。激光凭借高亮的特点，在汽车大灯等对亮度苛刻的领域有着普及的可能。而LED光源凭借产业化程度更高、低成本的特性，已经在家用、商用等基础照明领域实现普及。同时，LED光源也在努力提升亮度水平，并在汽车灯、工程照明灯等领域占据份额上的优势。
　　或者说，从更广阔的产业链看，LED光源的&背景&还是要更强大一些。这也就决定了LED光源方面的社会研发总投入更高，广阔的市场迅速摊薄新技术研发成本的能力也更强。这种产业格局是很多投影厂商对LED光源情有独钟的另一个原因。例如日立，其光源体系选择目前是：高端工程激光作为主打、汞灯则占据性价比工程市场;商教领域汞灯的性价比特色依然明显，但是LED却成为了商教市场的高端配置。
　　&大家心并不齐&，这是哥看到的投影新光源市场的基本面貌。对此，哥非常理解：因为更多的投影厂商必须面对汞灯现在的低成本和海量存量市场，也要面对未来的新技术产品。同时，对于激光和LED两种光源技术，更多的投影厂商也会说&我们做的是投影，不是光源&，&哪一个技术对具体定位的产品最能达成&物美价廉&的优势，我们就选择谁&。
　　所以，消费者看到，LED家用机的推崇者，奥图码、明基也有激光产品。甚至奥图码一直是最便宜家用激光荧光色轮投影机的记录保持着。如果用一个词来概括包括力推激光工程的索尼、混合光源的卡西欧在内的传统投影企业的&光源&态度，无疑最合适的词就是&好用&&&这是一种典型的效果态度，而非路线态度。这种态度体现了&传统投影厂商的灵活性&。
　　当然，另一些创新投影品牌，往往主打某一种新技术。例如光峰、视美乐的激光，坚果的LED微投，迪威视讯的RGB激光等等。这主要是与企业的发展战略有关，而非具体的&排斥某项&技术门类。君不见，很多现在只做激光的创新品牌，此前也做过汞灯等传统产品吗?
　　分析了这么多，哥的结论是什么呢?其实，激光还是LED，这就像孙悟空和玉帝斗法，结果取决于佛祖的出手。在投影新光源领域，谁是佛祖万能不败之手呢?答案很简单，相当效果下的成本竞争力。或者说，激光还是LED谁先解决流明亮度的成本问题，谁才会是汞灯的取代者。甚至，二者也完全可以并存，不一定要你死我活。从这个角度看，投影光源界，离&新皇登基&还真有不小的距离哦。
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